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一周研发资讯汇总（20260622-20260628）

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本文1726字，阅读约需5分钟

摘要：研究团队通过用一氧化碳（CO）和三苯基膦（PPh3）两种分子（配体）将铱原子的周围进行密封保护，成功合成了在大气（空气）中也不会被氧化且存在极其稳定的由15个原子组成的铱纳米簇（Ir15NC），证实其“析氧反应（OER）”活性是以往市售铱催化剂的1.5倍。

关键词：析氧反应（OER）催化剂、铱催化剂、纳米团簇、配体、电解水

要点

此前尺寸约1纳米（nm）的“铱纳米簇（Ir₁₅NC）”在空气中难以合成，本研究确立了全球首个可在空气中简便且精准地合成该物质的技术。
将所开发的纳米簇负载于碳载体上的催化剂，在水电解关键反应“析氧反应（OER）”中的活性是以往市售铱催化剂的1.5倍。
通过将催化剂微细化至极限（约1 nm），大幅提高活性位点密度，在极低铱含量（1 wt%）下同时实现高活性与高耐久性，有助于清洁氢制造的普及。

概要

绿色氢能作为新一代清洁能源得到推广，为推进水电解装置的量产化，如何在大幅降低稀有且昂贵的铱催化剂用量的同时提升其催化活性，已成为全球性技术课题。

研究团队成功开发出一种可在大气中极为简便且精密地合成铱（Ir）纳米簇（NC）的方法，铱纳米簇是制造新一代清洁能源“绿氢”的水电解技术中最重要的电极催化剂之一。

研究团队巧妙结合一氧化碳（CO）和三苯基膦（PPh₃）作为保护配体，成功分离出在空气中稳定存在的原子精度（15个原子规模）的铱纳米簇（Ir₁₅ NC）。以该物质为前驱体制作的水电解催化剂，其析氧反应（OER）活性达到市售铱纳米颗粒催化剂的1.5倍，并在连续运行超20个小时的情况下仍未发生劣化，证实了其高耐久性。

本研究成果可大幅减少在地球上储量稀少且价格高昂的铱元素的用量，同时显著提升清洁氢能生产系统的效率，是加速实现脱碳社会与碳中和目标的里程碑。

研究背景

利用可再生电力电解水制取的绿色氢气，正作为终极清洁能源在全球范围内得到推广。然而，在酸性条件下运行的高级水电解系统中，最严苛的“析氧反应（OER）”几乎只能依赖铱（Ir）才能持久地进行。然而，铱极其稀有且价格高昂，若保持当前的使用量，将严重阻碍水电解装置的全球普及（量产化）。因此，如何在最大限度减少铱使用量的同时，显著提升催化活性（效率）（图1），已成为世界性的研究课题。

图1. 水电解中析氧反应（OER）的反应模式图。随着Ir粒子尺寸减小，构成Ir原子的表面比例增加，其活性也随之提高。

若将金属颗粒微细化至约1纳米（nm）的“纳米簇”，其表面积（活性位点）将大幅增加，从而可最大限度减少铱的用量。然而，像铱这样的金属纳米簇在空气中极易氧化且不稳定，以往只能在无氧的特殊环境中合成，这成为其实现实用化的巨大障碍。

研究内容

研究团队构想出一种结合乙二醇多醇还原法与配体交换法的新方法。通过用一氧化碳（CO）和三苯基膦（PPh₃）两种分子（配体）将铱原子的周围进行密封保护，成功合成了在大气（空气）中也不会被氧化且存在极其稳定的由15个原子组成的铱纳米簇（Ir₁₅NC）（图2），操作极为简便。

图2. Ir15NC的(a) ESI-MS谱图和(b)所预测的几何结构。ESI-MS引起的尖峰表明获得了纯度极高的Ir15NC，通过透射电子显微镜（TEM）图像观察到的主体结构与密度泛函理论（DFT）计算所预测的几何结构非常相似。

将合成的Ir₁₅纳米簇以极低的1 wt%比例吸附在碳黑上，并在300℃下进行热处理（烧结），成功制备出粒径仅为0.9 nm的高性能固体催化剂。对该催化剂的析氧反应（OER）活性进行评价，发现其质量活性约为目前广泛使用的铱纳米颗粒催化剂（粒径1.4 nm）的1.5倍（图3）。

通过X射线吸收微细结构（XAFS）等先进分析发现，由于纳米簇被超微细化，铱微粒呈现出理想的“阳离子态”（电子略微不足的状态）。这使得反应过程中的中间体能够高效地吸附并反应，而且促进了晶格氧氧化机制（LOM），从而大幅降低了反应的能垒。

此外，在负载于钛网上的水电解环境中连续运行20小时后，未观察到电压上升（劣化的表现），且颗粒未发生凝聚，确认了其优异的稳定性（图3）。

图3. (a) Ir15NC催化剂与市售催化剂在单位质量Ir上的OER活性比较，以及(b)其耐久性测试结果。与多种市售催化剂相比，Ir15NC催化剂表现出优异的OER活性和高耐久性。

研究意义与未来计划

本研究成果揭示了一种新的催化剂设计思路，即“即使在空气中不稳定的金属，只要巧妙调控配体，也能在常温下容易地合成超细微簇”。

今后计划把该方法应用于铱以外的各种稀有金属，加速开发用于解决能源环境问题的创新性、廉价且高性能的电极催化剂。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv_press20260619_web03_iridium.pdf

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c06563

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一种在空气中精确合成“铱纳米团簇”的新方法——将“析氧反应”活性提高至1.5倍